汽車(chē)懸架柔性管線防扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方法

何林英，傅嘯龍，張春朋

汽車(chē)懸架柔性管線防扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方法

何林英，傅嘯龍，張春朋

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 511434）

汽車(chē)柔性管線裝配存在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時(shí)，管線實(shí)際走向與仿真設(shè)計(jì)走向相差較大，極易與周邊件發(fā)生動(dòng)態(tài)干涉，導(dǎo)致柔性管線出現(xiàn)磨損斷裂的情形。文章基于Cosserat彈性桿理論與柔性管線防扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)IPS仿真軟件與Catia三維建模軟件，建立了符合車(chē)輛動(dòng)態(tài)懸架模型及動(dòng)態(tài)柔性管線模型，并對(duì)柔性管線賦予重力、材料及相位角，且與懸架運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，通過(guò)傳感器與三維掃描儀掃描的實(shí)車(chē)管線走向進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該方法準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，采用基于IPS軟件柔性管線防扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的方法，柔性管線在后懸架上極限、設(shè)計(jì)狀態(tài)、下極限等位置走向與實(shí)車(chē)管線走向基本一致，走向重合程度分別高達(dá)85%、88%、92%，驗(yàn)證了這一方法的準(zhǔn)確性。該方法可有效避免懸架動(dòng)態(tài)柔性管線存在扭轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)干涉情形，減少汽車(chē)懸架柔性管線布置與驗(yàn)證時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本，對(duì)汽車(chē)行業(yè)懸架動(dòng)態(tài)柔性管線布置與驗(yàn)證具有一定的指導(dǎo)意義。

扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；Cosserat彈性桿理論；IPS軟件；動(dòng)態(tài)柔性管線；動(dòng)態(tài)干涉

前言

汽車(chē)懸架區(qū)域的柔性管線主要為制動(dòng)軟管、卡鉗線束與輪速線束等柔性管線，懸架區(qū)域的柔性管線在車(chē)輛行駛過(guò)程中起到不可或缺的作用，車(chē)輛一旦出現(xiàn)制動(dòng)軟管磨損失效、線束磨損等情況，車(chē)輛安全與行人安全將失去保證[1]。

隨著計(jì)算機(jī)軟件能力的快速發(fā)展，數(shù)字化仿真技術(shù)軟件已成功應(yīng)用到汽車(chē)行業(yè)中[2]。近些年，部分學(xué)者與行業(yè)工程師逐步使用CAE有限元軟件進(jìn)行汽車(chē)管線的高精度建模與分析，模擬柔性管線受力時(shí)的彎曲扭轉(zhuǎn)狀態(tài)以及拉扯應(yīng)力。國(guó)外ARBIND等[3]人采用最小二乘有限元模型對(duì)不可拉伸與剪斷的Cosserat桿進(jìn)行了瞬態(tài)分析。CAO等[4]人根據(jù)Cosserat熱彈性桿的動(dòng)力學(xué)方程，延展出簡(jiǎn)單Cosserat桿模型。國(guó)內(nèi)上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心衛(wèi)聰敏、張三磊等[5]人基于 Cosserat 彈性桿理論，并以某轎車(chē)的制動(dòng)軟管為例進(jìn)行建模與動(dòng)態(tài)仿真分析，通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證管線仿真結(jié)果的有效性。廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院傅嘯龍、王推勝等[6]人提出了汽車(chē)前后懸架動(dòng)態(tài)柔性管線模型建立與驗(yàn)證方法，通過(guò)IPS柔性管線仿真軟件建立了汽車(chē)懸架區(qū)域柔性管線動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)與實(shí)車(chē)管線走向進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了方法的有效性，并在此模型上分析了柔性管線的受力情況、運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司朱東偉、王勻、郭玉亮等[7]人基于柔性管線分析理論與IPS仿真軟件對(duì)軌道車(chē)輛跨接線束進(jìn)行工業(yè)路徑解決方案集成設(shè)計(jì)，分析驗(yàn)證了軌道車(chē)輛中柔性線束基于IPS軟件設(shè)計(jì)的可靠性。

但以上方法只對(duì)車(chē)輛的柔性管線進(jìn)行了管線動(dòng)態(tài)走向，受力的仿真分析，而如何保證柔性管線在實(shí)際不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，達(dá)到與仿真設(shè)計(jì)一致性的需求，并沒(méi)有提及。針對(duì)該問(wèn)題，本文基于Cosserat彈性桿理論，通過(guò)IPS仿真軟件與Catia三維建模軟件，建立了符合汽車(chē)動(dòng)態(tài)懸架模型及動(dòng)態(tài)柔性管線模型，并對(duì)柔性管線賦予重力、材料、相位角，且與懸架運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，并基于IPS軟件提出柔性管線防扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)傳感器與三維掃描儀掃描的實(shí)車(chē)管線走向進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該方法準(zhǔn)確性。

1 方法

1.1 Cosserat Rod理論

Cosserat 彈性桿理論適用于細(xì)長(zhǎng)柔性管線的拉伸、剪切、彎曲及扭轉(zhuǎn)變形的工況。Cosserat 彈性桿理論認(rèn)為細(xì)長(zhǎng)的柔性體，在運(yùn)動(dòng)受力時(shí)，柔性體的幾何形態(tài)由中心線的移動(dòng)與截面沿中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)所體現(xiàn)，即長(zhǎng)度方向受力變形大于其他兩個(gè)方向的尺寸（橫截面），同時(shí)假設(shè)橫截面始終是剛性平面的模型，且物理特性等效為均質(zhì)，應(yīng)力與應(yīng)變滿足線性本構(gòu)關(guān)系。

圖1 柔性管線空間位姿描述

柔性管線的空間位姿需要建立多個(gè)坐標(biāo)系[5]，如圖1所示，在柔性管線的中心線上取點(diǎn)0作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立弧坐標(biāo)，且以空間中一固定點(diǎn)為原點(diǎn)建立參考坐標(biāo)系?，原點(diǎn)點(diǎn)到空間任意點(diǎn)的向量為，曲線上任意點(diǎn)可定義依附于與曲線的右手坐標(biāo)系?，成為Frenet坐標(biāo)系[7]。其中：和分別為該點(diǎn)處切線方向和法線方向的單位矢量，矢量=×。在點(diǎn)建立與剛性截面顧臉的主軸坐標(biāo)系?，各坐標(biāo)的單位矢量為1、2、3，其中軸與點(diǎn)處的切線重合，主軸坐標(biāo)系軸與Frenet坐標(biāo)系軸的夾角為，為截面的扭轉(zhuǎn)變形。

利用超彈性本構(gòu)關(guān)系，得到力和力矩矢量關(guān)系為：

在準(zhǔn)靜態(tài)下，加入邊界條件，力與力矩平衡方程為：

式中：k為線密度、為重力加速度、為中心線長(zhǎng)度的弧度。從而獲得管線的空間位姿、受力與變形情況[9]。

2 建立仿真模型

2.1 建立IPS動(dòng)態(tài)仿真模型

IPS仿真軟件基于Cosserat Rod理論，通過(guò)設(shè)定管線的材料屬性、空間位置與受力情況，模擬柔性管線在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)走向，應(yīng)力應(yīng)變，可實(shí)時(shí)查看柔性管線在各種工況中的實(shí)時(shí)測(cè)量值及失效風(fēng)險(xiǎn)。

在Catia軟件搭建好汽車(chē)后懸架運(yùn)動(dòng)模型后，將懸架運(yùn)動(dòng)軌跡導(dǎo)入IPS軟件中，隨后將懸架區(qū)域的制動(dòng)軟管、卡鉗線束等柔性管線與懸架運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，并且賦予制動(dòng)管與卡鉗線束材料參數(shù)，相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

表1 柔性管線材料參數(shù)

柔性管線材料參數(shù)制動(dòng)軟管卡鉗線束 彎曲剛度1/Nm20.014 3440.022 702 彎曲剛度2/Nm20.014 3440.022 702 拉伸剛度/(N/mm)2 804134 720 扭轉(zhuǎn)剛度/Nm20.204 0270.011 929 長(zhǎng)度質(zhì)量/(kg/m)0.0850.133 87 外徑/mm1011

2.2 柔性管線防扭轉(zhuǎn)方法

汽車(chē)大多數(shù)行駛時(shí)懸架都是處于小跳動(dòng)或無(wú)跳動(dòng)狀態(tài)，即懸架處于設(shè)計(jì)位置。但實(shí)際裝配過(guò)程中，懸架是處于下極限狀態(tài)進(jìn)行制動(dòng)軟管無(wú)扭轉(zhuǎn)的裝配，因而懸架的柔性管線應(yīng)在二維圖紙上保證首尾兩端呈現(xiàn)一定角度，保證柔性管線在懸架設(shè)計(jì)位置時(shí)處于無(wú)扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。圖紙上管路首尾兩端的相對(duì)角度，稱(chēng)之為相位角，如圖2所示。

圖2 二維圖紙相位角

因而如何保證實(shí)際生產(chǎn)的管線首尾兩端與數(shù)模管線的設(shè)計(jì)值呈現(xiàn)一致的角度則尤為重要。不然柔性管線就會(huì)呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，與設(shè)計(jì)狀態(tài)相差過(guò)大，如圖3所示。

圖3 相位角差異，管路走向較大

首先需要在IPS軟件中將懸架調(diào)整到設(shè)計(jì)位置，隨后將柔性管線調(diào)整至放松無(wú)扭轉(zhuǎn)狀態(tài)。之后需要將軟件中的重力設(shè)置去除，保證軟件中方向無(wú)任何受力，并將固定端進(jìn)行位置釋放，同時(shí)將釋放后的柔性管線再次放松，管線會(huì)由于應(yīng)力的釋放發(fā)生扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生相位角，即為拉直狀態(tài)的柔性管線的相位角，如圖4所示。將拉直狀態(tài)的柔性管線按wrl格式輸出，在Catia軟件中即可測(cè)量出首尾兩端相位角。

圖4 IPS軟件相位角輸出

之后管線兩端根據(jù)相位角制作成限位結(jié)構(gòu)，保證相位角的角度，限位結(jié)構(gòu)類(lèi)似圖5所示。

圖5 管線兩端限位結(jié)構(gòu)

相位角仿真設(shè)計(jì)角度與實(shí)際測(cè)量角度如表2所示。

表2 相位角數(shù)值

仿真數(shù)值實(shí)際數(shù)值 相位角/°7779

3 仿真模型驗(yàn)證

本文選取柔性管線在后懸架的三個(gè)實(shí)際位置走向與設(shè)計(jì)狀態(tài)仿真走向進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，選取后懸架處于上極限、設(shè)計(jì)位置、下極限三個(gè)位置。

獲取實(shí)車(chē)管線走向時(shí)，后懸需先拆除彈簧，且管線表面粘貼反光點(diǎn)，后懸架分別運(yùn)動(dòng)到上極限、設(shè)計(jì)位置、下極限三個(gè)位置，采用三維掃描儀根據(jù)柔性管線表面反光點(diǎn)，即可獲取管線在三個(gè)位置的實(shí)際走向，之后對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，獲取實(shí)際走向數(shù)據(jù)，再將該數(shù)據(jù)與仿真管線走向進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

圖6分別為后懸柔性管線進(jìn)行平滑處理后，實(shí)車(chē)管線在后懸架上極限、設(shè)計(jì)位置、下極限三個(gè)位置的走向與仿真設(shè)計(jì)走向進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，綠色管線為實(shí)車(chē)管線走向數(shù)據(jù)，黃色管線為仿真管線走向數(shù)據(jù)。實(shí)車(chē)管線走向與仿真管線走向高度吻合，數(shù)據(jù)重合率分別為85%、88%、92%。

4 討論

本文基于Catia與IPS軟件建立了后多連桿懸架運(yùn)動(dòng)模型，根據(jù)柔性管線的材料參數(shù)與相位角，建立了后懸架的動(dòng)態(tài)柔性管線，并根據(jù)實(shí)車(chē)管線在后懸架上極限、設(shè)計(jì)位置、下極限三個(gè)位置的走向與仿真設(shè)計(jì)走向進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證柔性管線防扭轉(zhuǎn)方法的有效性。車(chē)輛管線實(shí)車(chē)走向與仿真管線走向在上極限位置局部存在些許差異，但總體走向基本一致。存在局部差異的原因是卡鉗線束固定端是橡膠件，橡膠件在受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變，但在IPS軟件中，線束固定端按剛體進(jìn)行建模，受力無(wú)法形變，從而導(dǎo)致卡鉗線束局部仿真走向與實(shí)際走向存在差異。而制動(dòng)軟管是由于仿真中管路在首尾兩端發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變的位置與實(shí)車(chē)管路首尾兩端扭轉(zhuǎn)位置存在差異，仿真中是將制動(dòng)軟管首尾兩端建立在金屬接頭尾端，而實(shí)際上制動(dòng)軟管有部分長(zhǎng)度是接入金屬接頭內(nèi)部，因而軟管的運(yùn)動(dòng)將受到金屬接頭的限制，同時(shí)由于制造與裝配誤差，相位角與設(shè)計(jì)數(shù)值也存在一定偏差，從而導(dǎo)致制動(dòng)管路存在局部走向存在差異。

5 結(jié)論

本文基于Catia與IPS軟件建立了后多連桿懸架運(yùn)動(dòng)模型，根據(jù)柔性管線的材料參數(shù)與相位角，建立了后懸架的動(dòng)態(tài)柔性管線，并根據(jù)實(shí)車(chē)管線在后懸架上極限、設(shè)計(jì)位置、下極限三個(gè)位置的走向與仿真設(shè)計(jì)走向進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證柔性管線防扭轉(zhuǎn)方法的有效性。解決了動(dòng)態(tài)柔性管線存在扭轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)干涉情形，減少汽車(chē)懸架柔性管線布置與驗(yàn)證時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本，對(duì)汽車(chē)行業(yè)懸架動(dòng)態(tài)柔性管線布置與驗(yàn)證具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 張立軍.制動(dòng)管路部分失效時(shí)的制動(dòng)效能分析[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)1998,28(3):12-15.

[2] 朱曉,郭兵.汽車(chē)管線設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)工程師,2015,8(1):18-20.

[3] ARBIND A,REDDY J N.Transient analysis of Cosserat rod with inextensibility and unshearability constraints using the least- squares finite element model[J].International Journal of Non- Linear Mechanics,2016(79):38-47.

[4] CAO D Q,SONG M T,TUCKER R W,et al.Dynamic equations of thermoelastic Cosserat rods[J].Communications in Nonlinear Scie- nce and Numerical Simulation,2013,18(7):1880-1887.

[5] 聰敏,張三磊,王光耀,等.汽車(chē)柔性管線運(yùn)動(dòng)仿真分析技術(shù)及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)輔助工程2019,28(3):14-17.

[6] 傅嘯龍,王推勝,華波,等.汽車(chē)前后懸架動(dòng)態(tài)柔性管線模型建立與驗(yàn)證方法[C].中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì).北京:2019中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集, 2019:1639-1643.

[7] 展闊杰,張丹,耿琪,等.基于Cosserat彈性細(xì)桿模型的電纜形態(tài)仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2019,36(4):177-182.

[8] 朱東偉,王勻,郭玉亮.基于柔性管線分析理論的軌道車(chē)輛跨接線束IPS設(shè)計(jì)及可靠性研究[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2020,18(2): 142-147.

[9] RUBIN M B. Cosserat theories:shells, rods and points[M].Berlin: Springer,2000.

The Anti-torsion Design Method of Flexible Pipeline for Suspension of Automobile

HE Linying, FU Xiaolong, ZHANG Chunpeng

( GAC, Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

When the torsion stress exists in flexible pipeline assembly of automobile suspension area,which will lead to the simulation shape of flexible tube and wire harness are quite different from the of the real shape of flexible tube and wire harness.And it is very easy to have dynamic interference with the surrounding parts, leading to the wear and fracture of the flexible pipeline.Based on Cosserat elastic rod theory and the anti-torsion design method of flexible pipeline, the dynamic model of automobile front and rear suspension and the dynamic flexible tube and wire harness model are established by Catia and IPS software. The flexible tube and wire harness are endowed with materials and gravity, and are associated with suspension motion to analyze the movement state of the flexible tube and wire harness.The veracity of dynamic flexible tube and wire harness model is verified by comparing the real shape of tube and wire harness scanned by the sensor and the 3d scanner. The results show that the anti torsion design method of flexible pipeline based on IPS software, the shape of flexible tube and wire harness are at the position of the upper limit, the design state, and the lower limit of the rear suspension are basically consistent with the of the real shape of flexible tube and wire harness. The degree of convergence was as high as 85%, 88%, and 92%, respectively.The accuracy of this method is verified.This method can effectively avoid the torsional dynamic interference of the suspension dynamic flexible pipeline, which not only reduces the time for the layout and verification of automobile suspension flexible tube and wire harness, but also improves the work efficiency and reduces the development cost. In particular, it is of guiding significance to the layout and verification of suspension dynamic flexible tube and wire harness in automobile industry.

Torsional stress;Cosserat elastic rod theory;The IPS software;Dynamic flexible tube and wire harness;Dynamic interference

U463

A

1671-7988(2021)24-52-05

U463

A

1671-7988(2021)24-52-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.012

何林英，就職于廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院。